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\title{针对部分类型残障人士的辅助设备设计}
\author{柴浚菥、任思远}
\date{\today}
\lstset{numbers=left,numberstyle=\tiny,keywordstyle=\color{blue!70},commentstyle=\color{red!50!green!50!blue!50},frame=shadowbox, rulesepcolor=\color{red!20!green!20!blue!20},escapeinside=``,xleftmargin=2em,xrightmargin=2em, aboveskip=1em}

\begin{document}
\maketitle

\begin{abstract}
我们注意到，杭州市有较大的残疾人数量，但我们日常却很少见到残障人士。这可能和社会对于残疾人出行及日常正常生活保障一定程度上的欠缺有关。因此，我们尝试设计一套针对这类困难人士的作品。作品使用Arduino开源硬件制作，意在用科技转换感官，帮助失明、失聪人士。本作品或将对这类人士的生活起一定帮助，对于将来这类产品的研发提供一定的启发。
\\ \hspace*{\fill}\par\textbf{关键词：}
创客, 残障人士, Arduino.
\end{abstract}

\newpage
\tableofcontents

\newpage
\section{综述}
\subsection{背景}
北京奥运会刚过去不久，杭州亚运会即将到来。在所有人都在关注着运动员们精彩表现的同时，我们注意到，在一般运动会闭幕后举办的残疾人运动会却很少得到关注。
\par
据2021年5月17日杭州市残疾人联合会发布的《2020年杭州市残疾人事业发展统计公报》显示，截至2020年底，全市入库持证残疾人22万人。\cite{ref1}杭州市有较大的残疾人数量，但我们日常却很少见到残障人士。我们猜测，这可能和社会对于残疾人出行及日常正常生活保障一定程度上的欠缺有关。因此，我们尝试设计一套针对这类困难人士的作品。
\par
为了获取设计的想法，我们面向社会发布了问卷，问卷的详细内容请见附录，问卷的详情请见附件。
\par
经过调查、统计、分析，我们确认了我们的认识：残疾人仍然需要针对日常生活的支持。为此，我们选择先从改善“日常出行”入手。
\subsection{解决方案}
\subsubsection{理念}
“改善日常出行”的课题实际上在设计、实施时依然太过宽泛。因此，我们缩小了使用人群。我们希望能设计出一个针对失明、失聪人士的作品，以将有障碍的感觉转化为无障碍的感觉的方式对日常出行问题做出一定的改善。

\newpage
\section{设计}
\subsection{硬件}
使用Arduino开源硬件。
\subsubsection{Arduino Nano开发板}
经典的Nano是Arduino Nano家族板中最古老的成员。它类似于Arduino Duemilanove，但用于面包板，没有专用电源插孔。经典Nano的后继产品包括配备WiFi模块的Nano 33 IoT或配备Bluetooth®低功耗和多个环境传感器的Nano 33 BLE Sense。
\par
ATMega328 CPU以16MHz运行,并具有32KB闪存（其中2KB由引导加载程序使用）。
\par
Nano的长度为45 毫米，宽度为18毫米，是Arduino最小的板，重量仅为 7 克。
\par
Nano专为面包板使用而设计，所有引脚均采用焊接接头，可轻松将电路板连接到任何面包板上。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoNano.png}
\caption{Arduino Nano开发板}
\end{figure}
\subsubsection{超声波传感器}
超声波传感器使用声纳来确定物体的距离。它提供了非常好的非接触范围检测，准确度高，读数稳定，易于使用，尺寸从2厘米到400厘米或1英寸到13英尺不等。
\par
其操作不受阳光或黑色材料的影响，尽管在声学上，柔软的材料（如布料等）可能难以检测到。它配有超声波发射器和接收器模块。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoUltrasonicSensor.png}
\caption{Arduino超声波传感器}
\end{figure}
超声波传感器是根据超声波的一些特性制造出来的，用于完成对超声波的发射和接收，内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波。超声波的频率高、波长短、方向性好、可以线性传播、对液体或者固体有不错的穿透效果，比如一些透明的物体，超声波可以穿透几十米，而且它在遇到杂质等等物体时会发生反射现象，从而产生回波。
\par
超声波测距的原理十分简单，由超声波的发射端发射一束超声波，在发射的同时，计时开始，发射出去的超声波在介质中传播，声波具有反射特性，当遇到障碍物时就会反射回来，当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。介质为空气时，声速为340m/s，根据记录的时间t，利用公式计算出发射位置与障碍物之间的距离。即：
$$L = \frac{C \times T}{2}$$
\par
式中$L$为测量的距离，$C$为超声波在介质（空气）中的传播速度，$T$为测得超声波往返的传播时间。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{TheoryOfUltrasonicSensor.jpg}
\caption{超声波传感器原理}
\end{figure}
\subsubsection{四位数码管}
四位数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4个数码管叫四位数码管。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoFour-digitDigitalTube.jpg}
\caption{四位数码管}
\end{figure}
\subsubsection{有源蜂鸣器}
有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoPassiveBuzzer.png}
\caption{有源蜂鸣器}
\end{figure}
\subsubsection{LED}
发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。
\par
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoLED.png}
\caption{LED}
\end{figure}
\subsubsection{碰撞传感器}
Arduino碰撞传感器，本质上就是一个开关。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoCrashSensor.jpg}
\caption{碰撞传感器}
\end{figure}
\subsubsection{按钮开关}
按钮开关又称控制按钮（简称按钮），是一种手动且一般可以自动复位的低压电器。按钮通常用于电路中发出启动或停止指令，以控制电磁起动器、接触器、继电器等电器线圈电流的接通和断开。
\par
按钮开关是一种按下即动作，释放即复位的用来接通和分断小电流电路的电器。
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{ArduinoButton.jpg}
\caption{按钮开关}
\end{figure}
\subsection{软件}
程序使用Mixly v1.1.5编写。图形化程序如下：
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Code1.png}
\caption{初始化}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Code2.png}
\caption{执行过程（部分缩略）}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Code3.png}
\caption{开关控制}
\end{figure}
\par
其中，“执行过程”部分使用的两条缩略程序展开后具体如下：
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Code2Part1.png}
\caption{第一条缩略程序}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Code2Part2.png}
\caption{第二条缩略程序}
\end{figure}
\par
若用C语言表示，则为：
\begin{lstlisting}[language={[ANSI]C}] 
#include <Wire.h>
#include <TM1650.h>

volatile boolean s;
TM1650 tm_4display;
volatile int item;

float checkdistance_9_10() {
  digitalWrite(9, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(9, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(9, LOW);
  float distance = pulseIn(10, HIGH) / 58.00;
  delay(10);
  return distance;
}

void setup(){
  s = false;
  pinMode(9, OUTPUT);
  pinMode(10, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  tm_4display.init();
  item = 0;
  pinMode(2, OUTPUT);
  pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(8, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  pinMode(13, INPUT);
}

void loop(){
  Serial.println(checkdistance_9_10());
  tm_4display.clear();
  item = checkdistance_9_10();
  if (s) {
    tm_4display.displayString(item);
    if (item >= 1000) {
      digitalWrite(2,HIGH);
      digitalWrite(3,LOW);
      digitalWrite(8,LOW);
    }
      else if (item < 1000 && item >= 700) {
      digitalWrite(2,LOW);
      digitalWrite(3,HIGH);
      digitalWrite(8,LOW);
      } 
      else {
      digitalWrite(2,LOW);
      digitalWrite(3,LOW);
      digitalWrite(8,HIGH);
      }
    if (analogRead(A0)) {
      digitalWrite(11,HIGH);
      delay(1000);
      digitalWrite(11,LOW);
    } 
      else {
      digitalWrite(11,LOW);
      }
  }

  if (!digitalRead(13)) {
    s = !s;
    delay(100);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(8,LOW);
  }
}
\end{lstlisting}
\subsection{具体设计}
\subsubsection{外观}
最终成果的外观如下：
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.6\linewidth]{Look.png}
\caption{外观}
\end{figure}

\newpage
\section{实际操作}
附件视频简单地演示了其功能。更多细节敬请期待。

\newpage
\section{附录}
\begin{figure}[H]
\includegraphics[width=\linewidth]{Questionnaire1.png}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\includegraphics[width=\linewidth]{Questionnaire2.png}
\end{figure}

\newpage
\section{参考文献}
\begin{thebibliography}{99}
\bibitem{ref1}杭州市残疾人联合会.2020年杭州市残疾人事业发展统计公报[Z].2021-05-17.
\end{thebibliography}

\newpage
\section{致谢}
到时候再加吧。

\end{document}